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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）11-062-05中圖分類號：TP336

★倪玉偉（國家能源集團寧夏電力有限公司，寧夏銀川750000）

關鍵詞：1000MW間接空冷機組；全廠現場總線；工程實踐；智能電廠

在信息化與工業化深度融合的背景下，應對互聯網、大數據、云計算等信息領域新技術發展、提高資源利用效率、推進電力行業智能轉型升級成為電廠發展的必然趨勢。智能化電廠的基礎是數字化和信息化，現場總線控制系統實現了現場級設備的數字化、網絡化^[1~2]，使整個電廠工藝流程信息和基層控制級信息數字化，可以及時、準確地掌握現場生產設備體征狀態，做到變設備故障檢修為設備狀態維護，為智能化電廠的實現奠定了數字化基石^[3~5]。同時，利用就地智能控制設備提供的大量實時信息進行深度的開發和應用，為管理決策提供了基礎和依據。

方家莊項目2×1000MW超超臨界間接空冷燃煤機組，是世界首批百萬千瓦級間接空冷電站之一。該工程全過程借鑒世界百萬機組先進經驗，融合現代信息技術，并依托現場總線技術，實現兩臺機組全部APS一鍵啟停，實現投產即同步建成智慧型發電企業；率先實現MIS、SIS一體化，生產、經營一體化，財務、業務一體化；搭建完成智能發電和智慧管理兩個平臺，是目前國內國產現場總線應用最為廣泛的電廠。

本文針對方家莊項目2臺百萬機組應用PROFIBUS現場總線技術，對其應用范圍、網段劃分、系統配置進行了詳細介紹，同時對總線設備在安裝調試過程中出現的各類通信及網絡故障進行了故障原因診斷和分析^[6~9]，并提出了相應的優化和解決措施，為PROFIBUS現場總線技術在火電廠的安全、穩定應用提供了參考。

1　現場總線規劃方案

1.1　國產現場總線技術的大范圍應用

本工程采用國產PROFIBUS現場總線系統和EDPF-NT+分散控制系統。將發電機/變壓器組和廠用電系統的控制、輔助車間（系統）的控制納入分散控制系統，實現爐、機、電、輔集中控制、統一值班。每臺機組設一套分散控制系統（單元機組DCS），兩臺機組公用部分設一套分散控制系統（公用DCS），輔助車間（系統）采用一套分散控制系統（輔控DCS），以彩色LCD以及彩色大屏幕液晶顯示器、鼠標為單元機組主要監視和控制手段。除功率、頻率等的數字顯示儀表外，控制室內不設置其它常規儀表和控制設備，但在DCS操作臺上配置鍋爐、汽機、發電機的硬接線緊急停止按鈕及重要輔機的硬接線操作按鈕，以保證機組在緊急情況下安全停機。DCS留有與廠級監控信息系統（SIS）通訊接口，機組實時信息接入SIS，電氣其它相關系統的檢修維護信息接入SIS，以用于全廠的信息監視和管理。

由于現場總線系統中控制設備和測量儀表都是通過現場總線與DCS分散控制系統（或PLC系統）的總線接口相連，這些信號不再占I/O模件的點位，因此減少了I/O模件及相關的隔離裝置、繼電器等，同時使DCS模件柜、繼電器柜的數量減少，能有效地節約集中控制室電子設備間的面積?，F場總線系統的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條光纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、槽盒、電纜橋架及其安裝附件的用量將減少，連線設計與接頭校對的工作量也減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，又減少了設計、安裝的工作量。

同時由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化、設備與連線減少、現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了控制系統的準確性與可靠性。

通過應用現場總線技術，可以實現單元機組和輔助車間的監控；借助應用現場總線技術采集的大量設備信息，通過對設備的性能進行分析和對設備故障進行診斷，可以提升發電廠的管理運行和維護水平。

因此本工程2×1000MW新建機組通過論證大范圍應用現場總線技術，以現場總線技術作為基礎，實現數字化電廠控制方案。根據統計，兩臺機組主機加公用系統（含脫硫系統、化水系統、輸煤系統、間冷系統、ECMS系統）采用總線技術的熱控設備（含DP設備、PA設備）約4300多臺，總線覆蓋率近80%，其中間冷系統是全國首次采用現場總線技術?？偩€設備種類包括執行機構、壓力變送器、溫度變送器、閥島、閥門定位器、馬達控制器、化學分析儀表、流量計、導波雷達液位計、超聲波液位計、變頻器、磁翻板液位計等。

除對機組安全運行至關重要且回路處理速度要求高的鍋爐主保護（MFT）、汽機數字電液控制系統（DEH）中涉及轉速、應力和負荷控制的基本控制部分、汽機本體緊急跳閘系統（ETS）、汽輪機監視系統（TSI）、給水泵汽機電液調節系統（MEH）、機組事故順序記錄（SOE）以及給水泵汽機緊急跳閘系統（METS）、潤滑油系統、盤車系統、高壓抗燃油系統采用常規的DCS控制外，其余系統幾乎均采用了現場總線技術。

1.2　科學論證網段劃分原則

大型火力發電機組連續安全穩定運行是至關重要的，而控制系統的可靠性是保證機組可用率的重要因素。為了提高系統的可靠性，采用現場總線技術（PROFIBUS）的設備則需要通過科學的網段劃分配置保證安全及穩定。具體的網段劃分至少滿足以下原則：

（1）PROFIBUS PA現場總線網段拓撲結構采用樹型加分支的組合形式；PROFIBUS DP現場總線網段拓撲采用冗余總線型。

（2）現場總線網段拓撲設計時單點故障不能影響整個網段的正常運行。

（3）互為備用的現場儀表及相關驅動裝置應接入不同網段；控制閥門和其旁路閥門（如有）應連接到不同的現場總線網段；控制邏輯相關（同一控制回路中）的儀表和控制對象原則上掛接在同一總線網段上?？刂葡到y的設計應根據工藝流程的控制特點，合理配置總線數量和掛接的現場設備，以確保任何一條總線故障時，只產生工藝系統的局部故障，不會引起機組的危急狀態造成整個工藝系統停運，并將這一影響限制在最小。

1.3　采用最新技術進行現場總線系統配置

本工程兩臺單元機組采用全廠現場總線技術全覆蓋，通過前期的調研工作，形成本工程現場總線技術實施保障措施、現場總線技術應用原則、應用范圍，主要突破在于不僅僅在單元機組采用現場總線技術，還在各輔助車間、輸煤程控、間冷塔、ECMS等區域系統采用現場總線技術。在研發階段，我們首先確定了基于現場總線技術的DCS系統方案，提出并參與了國電智深新型控制器及主站通訊卡（BP卡）的研發及測試旁站工作，并進行首次應用。我們采用了華電天仁第三代最新版現場總線技術，并確定了本工程現場總線技術采用PROFIBUS-DP/PA通訊協議（PROFIBUS DP現場總線網段設計采用總線型拓撲結構，PROFIBUS PA采用樹型加分支的組合拓撲結構）及應用原則。與以往系統較復雜、網絡環節較多的問題比較，本工程使系統更加可靠穩定。

本工程優化DCS與PROFIBUS DP系統結構由監控層工程師站及操作員站計算機、中間層級的冗余控制器（DPU）及PB控制模塊、現場級的各個廠家的現場總線控制設備（電動執行機構、變送器、馬達保護器等）組成。

監控層與中間層的DPU通過冗余工業以太網A連接，中間層的冗余控制器與PB控制模塊采用冗余工業以太網B連接，PB控制模塊與現場的設備之間通過標準的PROFIBUS DP現場總線連接或者通過光電轉換器使用光纖連接，既可以擴展連接距離，又提高了抗干擾能力，增強了穩定性。在此方案中使用DP分支器及PA分支器，可以擴展現場連接設備的拓撲方式，靈活應對現場的使用情況?，F場總線系統架構圖如圖1所示。

圖1 現場總線系統架構圖

2　施工階段的管控

對施工技術人員的素質要求是不僅要掌握常規工程的熱控施工技術，還要掌握現場總線技術的施工技術及要點^[10~12]。主要有以下措施：

2.1　總線獨立槽盒及獨立總線隔板設計

在MCC電子間及大型電纜豎井內布置專門現場總線的獨立小槽盒，或者獨立總線隔板。由于現場限制，在一些區域無法滿足總線電纜與動力電纜的分開距離要求，MCC電子間進線孔、電纜豎井、MCC電子間（尤其就地MCC電子小間）無法滿足動力纜與DP纜60cm的分隔要求，并且并行鋪設。在這些位置增加獨立布線槽盒可以增強總線抗干擾能力。

圖2 電纜豎井布置圖

2.2　在汽機管道層優化安裝環繞小橋架

由于汽機部分橋架設計距離長度及距離有限，造成總線系統在布置時繞行嚴重，并且容易受到干擾。在汽機管道層安裝環繞小橋架可以有效避免此現象。

2.3　自主創新采用總線DP電纜專用屏蔽接地端子卡

PROFIBUS總線通訊電纜的屏蔽，對于整個總線系統來說非常重要。由于現場一些總線型電動門執行器就地電動頭為葵花盤式接線端子，DP電纜屏蔽層一般為金屬編織網，毛刺較多，執行器內接線空間狹小，容易出現編織網與電動門內380V線纜碰觸，或者屏蔽層與電動門內電路板與DP總線電纜自身碰觸出現短路等情況，從而出現總線通訊中斷、設備損壞及人身傷害等狀況，為安全生產埋下了極大隱患。為了杜絕上述情況的發生，我們根據實際情況，設計、創新研究出一種專門用于總線型執行器DP電纜屏蔽層用的接地端子卡，如圖3所示，有效降低了總線設備因屏蔽原因導致的故障率，從而降低了設備隱患。

圖3 專用屏蔽接地端子接線圖

2.4　多次進行施工交底及培訓，保證安裝質量

總線安裝質量決定總線后期運行質量。我們曾組織三次正規培訓以及多次現場培訓：3次正規培訓分別在電纜敷設開始前、總線接線開始前以及總線調試開始前，有針對性地對電建進行培訓；培訓結束后對電建施工人員進行考試，考試合格后方可進行施工。保證每名施工人員都經過培訓。

2.5　專門制作了“現場總線施工工序工藝卡”發放給總線施工人員

如圖4所示，工序工藝卡對現場總線的施工步序、工藝、檢測及調試提出了明確的要求，同時以問題清單的形式列出了常見故障的診斷和處理方法，方便施工人員隨時查看，也為監督、檢查人員提供了統一的標準，為現場總線的安全可靠施工提供了保障。

圖4 現場總線施工工序工藝卡

3　精細化的調試

3.1　應用protrace總線通信專用檢測工具進行網段檢測及診斷

protrace總線通信專用檢測工具可以方便地在現場對總線設備進行實驗及調試，不僅可以對總線V0數據進行測試，并且可以開放DCG文件，將總線V1數據進行解包，為AMS總線管理軟件的研發和使用提供了依據。protrace總線通信專用檢測工具也可以監測通信狀態和質量并記錄能夠正常通信的總線設備地址，如圖5所示。

圖5 protrace檢測記錄

3.2　應用AMS現場總線設備管理系統

國電方家莊電廠2×1000MW機組使用了大量的現場總線設備，每臺現場總線設備都具有豐富的診斷數據，因此迫切需要對全廠現場總線設備的統一監管技術?，F場總線設備監管平臺（AMS）可以實現對現場總線設備故障的快速定位^[13]。如圖6所示，運行、維護人員就可以在集中控制室內隨時了解、就地控制設備和測量儀表的運行及維護信息，以便及時維護、更換老化的設備，并在設備發生故障時，能夠快速查出故障點的位置，便于巡檢人員直接找到故障點并快速排除。這樣，不僅減少了巡檢人員的維護工作量，還提高了巡檢人員的工作效率。改變維護人員的工作方式，變“故障檢修”為“預測維護”，可以提高機組信息化水平，為數字化電廠和智能電廠的建設奠定基礎。

圖6 AMS現場總線管理平臺

4　結語

國電方家莊電廠2×1000MW超超臨界間接空冷燃煤機組現場總線覆蓋率達80%，是國內目前總線應用范圍最廣的電廠。由于現場總線所具有的特點，特別是現場總線系統結構的簡化，使其較傳統DCS控制系統在規劃設計、投資、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護等方面具有顯著的優勢；同時其結合智能儀表，集數據采集與數據分析于一體，通過與DCS系統高度融合，能夠為智能分析高層應用提供海量數據支撐，也為今后智能化電廠的實現提供數字化的基石。

作者簡介：

倪玉偉（1985-），男，寧夏人，工程師，碩士，現就職于國家能源集團寧夏電力有限公司，主要從事火力發電廠熱控專業管理及科技創新與信息化方面的研究管理。

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摘自《自動化博覽》2023年11月刊